BIM 技術在巖土三軸測試技術教學與科研中的應用

李春紅，孔綱強,2，張鑫蕊，劉漢龍，王 睿，許俊奎

（1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210024；2. 三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；3. 江蘇鐘潤智能科技有限公司，江蘇 南京 211300；4. 南京土壤儀器廠有限公司，江蘇 南京 210014）

巖土工程測試技術是研究巖土工程問題的基礎。社會的發展促進了土木行業新需求的產生，傳統的巖土工程也因此正在面臨更多新問題的挑戰，例如能源地下結構的應用，使得巖土工程需要極大地考慮溫度影響等問題[1-4]。與之對應的，巖土工程的測試技術也需要考慮這些新因素的影響[5-6]。這就要求土木工程類高等教育教學中不僅要注重學生基礎知識的培養，還需要適當考慮引入與工程有關的新興課題的教學與實踐，聯結專業教學與社會生產，以擴展學生的知識儲備，培養出符合時代和社會需求的學生。

近年來，建筑信息模型（building information modeling，BIM）技術在工業設計、建造以及管理等領域應用廣泛[7-9]。在政府有關部門的推動下，工業設計及施工領域逐漸應用該技術，相關高等院校以及科研機構也對BIM 技術展開了積極探索。基于建筑工程信息化（BIM）建設一體化的虛擬實訓實驗室，將有利于學生盡早熟悉相關的操作方法和實踐步驟，以便在面對復雜及疑難問題時，能有效降低實際操作中的出錯率，提高安全保障性[10-11]。新型的BIM 技術虛擬仿真實驗室，突破實驗場地和測試時間的限制，可以幫助學生反復系統地學習，學校則能夠在保證學生學習質量的前提下降低綜合成本。這也是土木工程及相關專業教育發展的重要趨勢[12-13]。對承擔科研創新任務的研究人員來說，利用虛擬仿真實驗室還可以根據測試需求修改傳統的實驗儀器模型，通過反復推敲確定合理的設計及操作方案，研究出符合科研需求且易于加工實現的新型儀器設備。這有利于降低科研人員的時間成本和經濟成本，避免不必要的資源浪費。

本文將 BIM 技術和虛擬仿真技術與傳統的巖土三軸測試相結合，構建虛擬實驗室，并應用于土力學及巖土工程測試技術的教學與科研中，有利于促進高校專業課程教學改革以及新型實驗室建設，有利于增加高校實驗室教學的創新性、多樣性，有利于拓展學生知識面及提升實驗人員隊伍的整體素質。

1 建設BIM 實驗室的必要性

1.1 巖土三軸測試技術

巖土工程測試技術是研究巖土工程問題的重要基礎，土力學范疇內的各種土體參數的確定都離不開巖土工程測試技術的應用。三軸試驗是巖土工程測試中基礎而又極為重要的實驗，土體黏聚力和摩擦角參數的確定即是基于該實驗的[14]。三軸試驗結果還是土體應力應變本構關系的基礎，是各類理論計算、數值模擬的依據，更是巖土工程設計的重要參考。可以說，涉及到土體力學參數的工程均離不開土體三軸測試。圖 1為傳統應變控制式三軸測試系統結構示意圖以及BIM效果圖。盡管三軸試驗如此重要，其基本的土力學基礎理論在所有的土力學教學中均有涉及，但是并非每所土木工程類高等院校都能為學生提供真正的三軸試驗教學與實踐。為了改變這種狀況，基于BIM 技術構建巖土三軸測試技術虛擬仿真實驗室十分必要。

圖1 應變控制式三軸測試系統

1.2 傳統的巖土三軸測試教學與科研的不足

傳統的巖土三軸測試技術教學往往采用實驗室課上先由教師當堂講授原理、進行示范操作，再由學生自行實驗的方式。這種方式存在如下不足。

（1）注重實驗操作，忽視實驗效果。由于實驗課上講授原理的時間有限，學生往往在沒有充分理解實驗原理的情況下就盲目按照教師的示范草草進行實驗，其結果是雖然完成了實驗過程，但實驗教學效果不理想。

（2）巖土三軸測試技術教學是基于土力學[15]等專業課程的，但是二者在時間安排上前后脫節。學生在學習專業課時缺乏實驗方面的實踐，使得對專業課內容理解困難；在學習巖土工程測試技術時，早先學過的土力學課程中的測試原理等內容也忘得差不多了，大大影響了學生的學習興趣。

（3）巖土三軸測試技術的實驗儀器配套軟硬件配置不足。一是由于學科建設經費等原因使實驗儀器配套不完善，種類缺乏或者數量較少，不能滿足學生的實踐教學需求；二是更新換代不及時，版本較低的老舊產品往往使測量結果存在較大誤差。

（4）實驗課程的考核形式單一。實驗課上學生僅仿照教師的示范進行操作、記錄數據、處理數據，如果據此對學生進行實驗課程考核，不足以考核學生分析問題的能力，更不足以考核學生的創新能力。

傳統的巖土三軸測試技術在科研上也存在一些不足。

（1）以研究生為主的科研實驗者實驗操作不夠規范。基于傳統儀器，要進行滿足科研創新要求的巖土三軸測試實驗，往往操作復雜，涉及的專業知識較深，研究生們往往參照規范進行實驗，但當部分創新型內容在規范中未有涉及，同時又缺乏專業人員的指導時，則實驗操作容易出現偏差，影響科研類實驗的效果。

（2）科研實驗經常涉及國外引進的巖土三軸測試儀器及技術，由于實驗規范及語言的差異，使得他們學習和使用這些儀器的效率較低，出錯率較高，溝通和解決問題的速度較慢，影響科研成果產出。

（3）自主研發科研所需的巖土三軸測試儀器周期長，難度大。根據科研需要，可能需要與廠商合作自主研發滿足特殊需求的巖土三軸測試儀器。這時首先需要自行進行粗略設計，確定可行性，修改設計方案，然后再聯系廠家定制。但由于研究者對儀器結構不十分熟悉，其間需要反復溝通、協調和調試，所需時間較長。

與傳統的巖土三軸測試相比，構建巖土三軸測試虛擬仿真實驗室，以虛擬測試任務驅動教學，以BIM平臺作為輔助，結合巖土三軸測試技術教學演示模型，能夠及時補充和完善土力學課程中與實驗相關的知識點，激發學生的學習興趣。同時，通過網絡教學平臺開放實驗虛擬操作平臺，能夠滿足學生在實驗課前、課后進行自主學習的需求。此外，增設科研類虛擬平臺，可以為科研實驗人員提供更豐富的實驗教程和操作平臺，有助于他們的規范操作，有助于提高科研效率。借助虛擬仿真實驗室的儀器模型，還可使科研人員更方便地了解儀器結構，更好地自主設計滿足自身科研需求的儀器，提高與儀器生產商的溝通效率，節省時間成本和經濟成本，提高儀器自主研發的成功率。

1.3 巖土三軸測試技術虛擬實驗室建設目的

利用BIM 技術、虛實結合和仿真訓練平臺，建立巖土三軸測試技術教學、科研、自主創新一體化的教育系統，實現信息共享；結合行業發展需求，培養理論與實驗基礎知識扎實的學生，并為科研實驗人員提供輔助科研的良好平臺，提升傳統巖土三軸測試技術實驗教學效果及科研創新能力。

2 巖土三軸測試技術BIM 實驗室建設內容

2.1 建立仿真模擬模型

利用 BIM 技術建立實驗儀器BIM 模型，并進行可視化的實驗操作過程模擬。

首先，以巖土三軸測試儀器實物或 CAD 設計圖為基礎，使用 Revit 等軟件分別建立與實驗儀器相對應的包含元件信息的構件族庫，修改各組件的平面坐標或空間坐標參數，然后拼裝組合形成巖土三軸測試儀器的核心部件BIM 模型。圖2 為巖土三軸測試儀器核心部件三軸壓力室各元件的BIM 示意圖。

然后依據規范確定三軸試驗的操作過程和操作步驟，以及每一步驟可能產生的實驗現象，例如土體變形或者孔隙水流動等，方便后續對實驗過程的解釋和模擬。

最后進行實驗的全過程動態模擬。在Navisworks軟件中導入已建好的BIM 模型，根據Timeliner 與視點命令，關聯BIM 模型相關構件和時間維度以及空間視點，實現巖土三軸試驗的4D 全測試過程模擬。

2.2 建設虛擬現實仿真模擬實訓實驗平臺

虛擬仿真實驗室是基于虛擬現實仿真技術的實驗系統，主要包括：實驗室環境、測試儀器、實驗對象和材料、實驗信息資源等。利用該技術，建立巖土三軸測試虛擬仿真實驗室，不斷為本科生學習三軸測試技術提供條件，為進行復雜實驗的科研人員提供學習資源，為科研工作和科研創新提供良好支撐。

圖2 三軸壓力室各元件BIM 示意圖

虛擬仿真實驗室的功能主要包括以下方面。

（1）學習目標明確，能夠及時配合土力學教學需要，契合教育改革方案。

（2）以課本理論知識為基礎，以工程問題為研究背景，結合實際工程需要對巖土三軸測試技術進行講解，包括實驗目的、對應工程應用、實驗規范、操作步驟、實驗現象等。

（3）對實驗儀器進行模型化，提取各部分組件，展示設備或者材料的性能參數，幫助學習者深入了解儀器相關知識或實驗相關要求。

（4）對國外常用的三軸測試儀器進行補充介紹，擴展巖土三軸測試范疇，為科研實驗者提供重要學習資源。

（5）與虛擬仿真技術結合，在虛擬實驗室中展現實驗室操作注意事項，特別是誤操作及可能產生的后果，增強學生的實驗室安全意識，保障實驗人員的人身安全。

傳統巖土三軸測試實驗室往往無法及時更新實驗儀器產品，淘汰老舊的實驗設施，一定程度上影響傳統實驗教學效果，且由于場地等原因限制新技術的教學與傳播。基于BIM 技術的虛擬仿真實驗室則可以通過軟件更新、模型更新彌補這一缺陷，在節省經濟成本和時間成本的同時，確保學生能夠及時學習到最新的知識和技能。虛擬實驗室同時設置建議和意見反饋系統，實驗人員可以根據自己的實驗體驗對系統提出建議和意見，以便系統后臺對虛擬實驗平臺及時進行調整更新，使其更貼近實驗者的需求。

2.3 建立巖土三軸測試技術BIM 實驗基地

依托巖土工程教育部重點實驗室，建立了巖土三軸測試技術BIM 實驗模型基地，供本校師生以及外來交流人員參觀學習、網上虛擬操作以及開發新型三軸測試類儀器。基地立足于行業發展現狀，結合未來技術趨勢，不斷提升科技含量；結合國家戰略發展需求，不斷向行業和社會輸出創新型知識成果；積極與企業合作，深入挖掘潛力，充分利用實驗模型優勢，支撐教學和學術研究工作。

3 BIM 在巖土三軸測試教學和科研中的應用

將 BIM 技術引入土力學教學和巖土三軸測試的應用主要體現在以下方面。

3.1 完善教學形式與內容方面

（1）設置BIM 知識理論課程，介紹BIM 的原理、理論體系、建模技術以及相關應用。

（2）介紹巖土三軸測試技術，完善土力學理論和實踐知識教學，加深學生對土力學基礎知識和工程實踐的理解。

（3）開放巖土三軸測試技術虛擬仿真實驗室，供學生課后參考學習，激發自主學習意識，提供網上交流平臺。

（4）在巖土三軸測試技術實踐教學中融入虛擬實驗室教學。在關鍵操作上，學生可以登錄平臺邊學習邊操作，提升實驗效果。通過實驗指導教師的適當補充講解，幫助學生提高學習效率。

（5）在傳統考核基礎上，在網絡課堂上引入學時積分考核。要求學生的視頻學習要達到規定的學時，還要通過實驗理論知識考核及各項虛擬操作測試。

3.2 輔助科研創新方面

（1）科研人員可以進入復雜實驗的虛擬仿真實驗系統，例如英國GDS 公司的三軸試驗系統。學習同類先進儀器的知識原理、操作過程、科研及工程應用等，豐富科研人員的知識儲備。

（2）開放科研人員提取虛擬仿真實驗室儀器模型的權限。當科研人員需要自主設計部分實驗儀器時，可以借助虛擬實驗室內的儀器模型，深入了解儀器結構，并基于此結構，利用BIM 相關軟件，進行設計開發，既節省了時間又有利于提高與儀器生產商的溝通效率，提高自主設計的成功率。利用BIM 技術設計的溫控樁-土接觸面三軸壓力室[5]如圖3 所示。

圖3 溫控樁-土接觸面三軸壓力室BIM 示意圖

3.3 完善課程教學大綱、優化師資力量方面

通過不斷的教學探索與實踐，制定了合適的巖土三軸測試技術教學大綱以及BIM 學習指南，方便學生快速掌握巖土工程相關理論以及BIM 技術基本知識。在體現教學大綱標準化、模塊化的基礎上，強調課程的探索性、創新性，不僅注重學生對巖土工程測試知識的掌握，而且注重激發學生的學習興趣和創新思維。BIM 虛擬仿真實驗室設置專職的建模人員和實驗指導教師，強調對實驗人員的知識更新和對相關教師的培訓和互補學習，提升教師隊伍的整體素質。

4 結語

本文利用行業先進的BIM 技術，建設了巖土三軸測試技術虛擬仿真實驗室，開設了 BIM 相關理論課程，強化了巖土方向基礎知識的學習和實踐。將BIM技術應用于實驗室建設，有利于拓展學生的知識面，激發學生的學習興趣，培養學生的學習探索能力。